DE3108719A1 - Kreiselpumpe - Google Patents

Description

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Anm.: Lucas Industrie Limited, Great King Street, Birmingham, B19 2XF, England

Kreiselpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe.

Es ist bekannt, daß bei Kreiselpumpen der hydraulische Strömungswiderstand zwischen dem Pumpen-Lagerlaufrad und den angrenzenden Teilen des umgebenden stationären Pumpengehäuses ungefähr dem Quadrat der Drehzahl des Lagerlaufrades, bezogen auf das Gehäuse, proportional ist. Es ist beispielsweise in den "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers", Vol. 174, Nr. (1960), Seite 443, vorgeschlagen worden, diesen hydraulischen Strömungswiderstand dadurch zu vermindern, daß ein frei drehbares Element in Gestalt einer Ummantelung zwischen den in Achsrichtung angeordneten Oberflächen des Lagerlaufrades und den angrenzenden Oberflächen des Pumpengehäuses vorgesehen wird. Das vorerwähnte, frei drehbare Element hat im wesentlichen keinen Einfluß auf die Flüssigkeit, die an dem Umfang des Lagerlaufrades austritt. Die Auswirkungen eines derartigen Ummantel-Elementes zur Verminderung des hydraulichen Strömungswiderstandes sind daher auf den Strömungswiderstand begrenzt, der als Flächenwiderstand bezeichnet wird und zwischen den in Achsrichtung angeordneten Oberflächen des Lagerlaaifrades und des Gehäuses auftritt. Andererseits treten jedoch Verluste durch Strömungswiderstand

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zwischen dem Umfang des Laufrades und dem umgebenden Gehäuse auf, die als Spitzenwiderstand bezeichnet werden und den größeren Teil der gesamten hydraulischen Verluste durch Strömungswiderstand bilden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kreiselpumpe vorzusehen, in der die Auswirkungen des dynamischen Strömungswiderstandes, einschließlich des Spitzenwiderstandes, wesentlich vermindert werden.

Es ist auch bekannt, KreisaLpumpen vorzusehen, in denen die Ausgestaltung der Laufradblätter derart ist, daß wenigstens die Teile, die an die Laufradperipherie angrenzen, sich im wesentlichen radial zur Laufradachse erstrecken und in denen der Auslaß der Pumpe kein Ausströmraum ist, sondern eine Leitung, die sich tangential vom Umfang einer Kammer erstreckt, in der das Laufrad angeordnet ist. Ein Merkmal derartiger Pumpen ist, daß etwa die Hälfte der Energie in der Pumpenflüssigkeit die Form eines dynamischen Druckgefälles hat und es wird üblicherweise so viel dieses dynamischen Druckgefälles wie möglich durch ein Ladelaufrad zurückgewonnen, das einen Teil des Auslasses der Pumpe bildet. Eine derartige Anordnung gewinnt üblicherweise weniger als 40 % der Energie des dynamischen Druckgefälles zurück.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kreiselpumpe vorzusehen, in der die Rückgewinnung der Energie des dynamischen Druckgefälles verbessert ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäße dadurch gelöst, daß in einer Kreiselpumpe ein erstes Schaufel-Lagerlaufrad sowie ein zweites Laufrad vorgesehen ist, das das erste

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Laufrad umgibt und dessen innerer Umfang eng an den angrenzenden Außenumfang des ersten Laufrades anliegt, wobei das zweite Laufrad Mittel umfaßt, die im wesentlichen mit dem gesamten Volumen der Pumpenflüssigkeit wechselwirken, die vom ersten Laufrad abströmt.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung hat das zweite Laufrad Öffnungen, die sich von seinem inneren Umfang zu seinem Außenumfang erstrecken, wobei diese Öffnungen tangential vom inneren Umfang in Drehrichtung bei Betrieb der Pumpe austreten, wobei ferner der Neigungswinkel dieser Öffnungen, bezogen auf die jeweilige tangentiale Richtung, mit Annäherung der Öffnungen an den Außenumfang des zweiten Laufrades ansteigt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl dieser Öffnungen gleich der Anzahl der Schaufeln des ersten Laufrades.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kreiselpumpe,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2 - 2 in Fig.

und
Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 2.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, hat eine Kreiselpumpe ein Gehäuse 10, das eine Pumpkammer 11 von kreisförmigem Querschnitt umgibt, die eine Einströmöffnung 12 und einen sich erweiternden Auslaß 13 aufweist, der sich im wesent-

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lichen tangential vom Außenumfang der Kammer 11 fort erstreckt. Ein erstes Laufrad 14 ist in einem zweiten Laufrad 15 gelagert, wobei dieses Laufrad 15 wiederum im Gehäuse 10 gelagert ist.

Eine zentrische Welle 16 weist einmal außenliegende Keilnuten 17 auf, die in zugehörige innere Keilnuten auf dem Laufrad 14 eingreifen und zum anderen weitere außenliegende Keilnuten 18, die mit einem geeigneten Antriebselement (nicht dargestellt) in Eingriff gebracht werden können. An der Welle 16 befindet sich ein Flansch 19, der auf seinen gegenüberliegenden Seiten von mit Federn vorgespannten Dichtungen 20, 21 gehalten wird, die einmal vom Laufrad 15 und zum anderen von einer Hohlwelle 22 gehalten werden. Die Hohlwelle 22 hat Keilnuten 23, die in das Laufrad 15 eingreifen und zum anderen Keilnuten 24, die ebenfalls mit dem vorerwähnten Antriebselement in Eingriff gebracht werden können. Ein als Flansch ausgeführter Teil 25 der Welle 22 wird an den gegenüberliegenden Seiten von ringförmigen, mit Federn vorgespannten Dichtungen 26, 27 gehalten, die wiederum im Gehäuse 10 gehaltert sind.

Das Laufrad 14 hat einen zentrischen, im wesentlichen konischen Vorsprung 30 und eine kreisförmige Ummantelung 31, wobei das eine Ende der Ummantelung 31 an den Einlaß 12 angesetzt ist und das andere Ende der Ummantelung 31 mit dem Vorsprung 30 in der Weise zusammenwirkt, daß ein an der Peripherie liegender, als Auslaß wirkender Teil am Lauf^rad 14 entsteht. Zwischen dem Vorsprung 30 und der Ummantelung 31 befinden sich vier Blätter 32, deren Abschnitte, die an den Umfang des Laufrades 14 angrenzen, in Ebenen liegen, die sich sowohl axial wie radial in bezug auf die Laufradachse erstrecken, wobei jedes Blatt 32 eine Verdrehung über seine Mittelachse 33 aufweist.

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Das Laufrad 15 hat einen Innenumfang, der dicht an den Außenumfang des Laufrades 14 angrenzt und, wie im einzelnen aus Fig. 1 ersichtlich ist, vier Öffnungen 34 aufweist, die sich durch das Laufrad 15 von seinem Innenumfang zu seinem Außenumfang hindurch erstrecken. Die Öffnungen 34 erstrecken sich zunächst tangential vom Innenumfang des Laufrades 15 weg und zwar in Drehrichtung R der Laufräder 14, 15. Die Neigungswinkel der Öffnungen 34 mit Bezug auf ihre jeweiligen Tangenten zum inneren Umfang des Laufrades 15 wachsen jedoch in dem Maße an, wie sich diese Öffnungen dem Außenumfang des Laufrades 15 nähern, wobei sich schließlich die radial außen gelegenen Abschnitte der Öffnungen 34 im wesentlichen senkrecht zur Achse des Laufrades 14 erstrecken. Die Anordnung des Laufrades 15 ist derart, daß im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit, die vom Laufrad 14 abströmt, zu einer Wechselwirkung mit dem Laufcad 15 gezwungen wird.

In einer Betriebsart der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe werden externe Antriebselemente an die Wellen 16, 20 angesetzt und drehen das Laufrad 15 mit der halben Drehzahl des Laufrades 14. Die relative Drehgeschwindigkeit zwischen den Laufrädern 14, 15 und zwischen dem Laufrad 15 und dem Gehäuse 10 sind daher halb so groß wie die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laufrad 14 und dem Gehäuse 10.

Die hydraulischen Verluste durch Strömungswiderstand, einschließlich Flächen- und Spitzenwiderstand, sind daher nur ungefähr ein Viertel der entsprechenden Verluste, wie sie erwartet werden müßten, wenn das Laufrad 15 nicht vorgesehen wäre. Hinzu kommt, daß das dynamische Gefälle in der Flüssigkeit, die vom Laufrad 14 abströmt, fast vollständig auf die tangentiale Geschwindigkeit dieser Flüssig-

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keit zurückzuführen ist und daß das dynamische Gefalle fast vollständig im Laufrad 15 in ein Druckgefälle umgewandelt wird, das an den Auslaß 13 weitergegeben wird.

In Fig. 4 sind rechnerische Werte des Druckanstiegs ( in Kilo Pascal) zwischen Pumpeneinlaß und -auslaß und Eingangsleistung (in Kilowatt) über den Flüssigkeitsdurchsatz (in Litern pro Minute) für verschiedene Pumpenausführungen aufgetragen. Die Kurven 1A, 1B zeigen Werte für Druckanstieg und Eingangsleistung, bezogen auf eine Kreiselpumpe, die das zweite Laufrad 15 nicht aufweist. Die Werte 2A, 2B sind Druckanstieg und Eingangsleistung für eine Pumpe, wie sie mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben ist, wobei die Laufräder 14, 15 bei 30.000 bzw. 15.000 rpm drehen. Wie ohne weiteres ersichtlich, steigt die Ausgangsleistung signifikant bei vergleichbaren Eingangsleistungen, während bei höheren Durchsatzraten der Flüssigkeit die erforderliche Leistung signifikant abfällt.

Die Kurven 3A, 3B bezeichnen den Druckanstieg und die Eingangsleistung, wenn die Laufräder 14, 15 bei 30.000 bzw. 12.000 rpm drehen. Wie man sieht, fällt die erforderliche Eingangsleistung merklich für einen vergleichbaren Ausgangsdruck ab. Die Kurven 4A, 4B zeigen berechnete Werte für den Druckanstieg und die Eingangsleistung, wenn die Laufräder 14, 15 bei 30.000 bzw. 8.000 rpm drehen. Die Kurven 5A, 5B zeigen den Druckanstieg und die Eingangsleistung, wenn das Laufrad 14 bei 30.000 rpm dreht und sich das Laufrad 15 im Freilauf befindet. Für diesen letzten Fall sieht man, daß der Pumpenausgangsdruck für höhere Flußraten im wesentlichen derselbe ist, der in Fig. 1A dargestellt ist, aber daß die Eingangsleistung merklich niedriger ist als die, die bei einer unmodifizierten Pumpe benötigt wird.

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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Öffnung des Laufrades 15 dargestellt. Die Öffnung 40 hat einen im wesentlichen tangentialen Abschnitt 41, der sich zum inneren Umfang des Laufrades 15 öffnet, der jedoch dann derart geschwungen ist, daß die Öffnung am Außenumfang des Laufrades 15 im wesentlichen entgegengesetzt zur Drehrichtung einmündet. In dieser Ausführungsform kann das Laufrad 15 als Turbine wirken und das dynamische Gefälle kann als Nutzarbeit an der Hohlwelle 22 abgenommen werden.

Wie bereits zuvor in bezug auf Fig. 2 beschrieben, wirkt im wesentlichen das gesamte Flüssigkeitsvolumen, das vom Laufrad 14 austritt, mit den Wänden der öffnungen 34 zusammen. In entsprechender Weise wirkt bei der veränderten Ausführungsform in Fig. 3 im wesentlichen die gesamte Pumpflüssigkeit mit den Wänden der Öffnungen 40 zusammen, um eine Kraft auf das Laufrad 15 auszuüben.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind geeignete Mittel, z.B. Leitungen 36, 37, 38 vorgesehen, die den Rückfluß von Flüssigkeit, die den Raum, der von den Dichtungen 19, 20, 26, 27 zwischen den Wellen 18, 22 und dem Gehäuse 10 bestimmt wird, ausfüllen, zu einem Gebiet niedrigen Druckes gestatten, das an den Pumpeneinlaß 12 angrenzt.

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Claims (8)

1. PATENTAN WALT S BÜRO

   SCHUMANNSTR. 97 · D-4000 DÜSSELDORF

   Telefon: (0211) 68 33 46 Telex: 0858 6513 cop d

   Ι'ΛΤί NIANWAI ΓΓ
   ΠιμΙ.-liKj. W OOH.AUS;· ■ ΠιμΙ. liiij. M. KNAtIt [UpI liiij. II. U CiIHAIIS/ Ι)φΙ. Ing. D. II. WfRNFk

   10. Februar 1981 Ansprüche:

   .) Kreiselpumpe mit einem Gehäuse, einem ersten Schaufellaufrad und einem zweiten Laufrad, das zwischen dem ersten Laufrad und dem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Laufrad (15) einen Innenumfang hat, der eng an den Außenumfang des ersten Laufrades (14) angrenzt und das zweite Lauffad (15) Abschnitte aufweist, die mit im wesentlichen dem ganzen Volumen der Flüssigkeit zusammenwirken, die aus dem Außenumfang des ersten Laufrades (14) austritt.
2. 2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte des zweiten Laufrades (15) aus öffnungen (34 oder 40) bestehen, die sich von dem inneren Umfang zum äußeren Umfang des zweiten Laufrades (15) hin erstrecken, wobei diese Öffnungen (34 oder 40) sich tangential von dem inneren Umfang, mit Bezug auf die Drehrichtung beim Betrieb der Pumpe, dieser Laufräder (14,15) erstrecken und daß die Neigungswinkel dieser öffnungen (34 oder 40) mit Bezug auf ihre jeweiligen tangentialen Richtungen ansteigen, in dem Maß, in dem sich die Öffnungen (34 oder 40) dem Außenumfang des zweiten Laufrades (15) nähern.
3. 3. Kreiselpumpe nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet,

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   daß die Abschnitte der Öffnungen (34), die an den Außenumfang des zweiten Laufrades (15) angrenzen, sich im wesentlichen senkrecht zu dessen Achse erstrecken.
4. 4. Kreiselpumpe nach Anspruch 2,

   . dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Öffnungen (40), die an den Außenumfang des zweiten Latifrades (15) angrenzen, sich im wesentlichen entgegengesetzt zur Drehrichtung erstrecken.
5. 5. Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Öffnungen (34 oder 40) gleich der Anzahl der Blätter des ersten Laufrades (14) ist.
6. 6, Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Antriebswelle (16, 22) vorgesehen ist, die an das erste bzw.. zweite Laufrad (14, 15) angeschlossen sind.
7. 7. Verfahren zum Betrieb einer Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß ein externer Antrieb angeschlossen wird, der das zweite Laufxad (15) mit ungefähr der halben Drehzahl des ersten Lauf.rades (14) dreht.
8. 8. Verfahren zum Betrieb einer Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

   dadurch gekennzeichnet, daß ein externer Antrieb vorgesehen ist, der das erste Laufrad (14) antreibt und Leistung vom zweiten Laufrad (15) abnimmt.

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